DE102016223863A1

DE102016223863A1 - Wälzlagerkäfig für ein Dentaltechniklager und Verfahren zum Herstellen eines solchen Wälzlagerkäfigs

Info

Publication number: DE102016223863A1
Application number: DE102016223863.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Engler
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wälzlagerkäfig Kunststoff als Thermoplast und /oder Duroplast mit künstlich hergestellter Spinnenseide als Faserverstärkungsstoff umfasst oder hieraus besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlagerkäfig, der zwecks Faserverstärkung von Wälzlagerkäfigen mit künstlich hergestellter Spinnenseide verstärkt wird.
Wälzlager werden heutzutage in vielen Maschinen und Baugruppen eingesetzt. Sie werden überall dort eingesetzt, wo eine Drehbewegung von Maschinen erwartet wird. Wälzlager bestehen im Allgemeinen aus mehreren einzelnen Komponenten. Ein Wälzlager besteht aus einen Außenring und einen Innenring, zwischen denen Wälzkörper auf Laufbahnen gelagert sind und im Arbeitszustand abrollen. Häufig werden bei Wälzlagern Lagerkäfige eingesetzt, um die Wälzkörper in entsprechende Taschen einzusperren bzw. in definierten Abständen zu positionieren und zu führen.
Der Wälzlagerkäfig beeinflusst im Wesentlichen die Eignung des Wälzlagers für bestimmte Anwendungsfälle. Zu den Hauptaufgaben des Wälzlagerkäfigs zählt es, die Wälzkörper von den benachbarten Wälzkörpern zu trennen, damit diese sich nicht unmittelbar berühren, was zur Folge hat, dass die Reibung vermindert wird und somit die Wärmeentwicklung im Lager verringert wird. Zusätzlich sorgt der Käfig für eine gleichmäßige Verteilung der Wälzkörper über den gesamten Umfang. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Lastverteilung, die wiederum zu einem ruhigen und gleichmäßigen Lauf der Wälzkörper zwischen den Außen- und Innenring führt. Zeitgleich führt der Wälzlagerkäfig die Wälzkörper in der entlasteten Zone und ermöglicht somit bessere Abrollbedingungen im Lager. Insgesamt ergibt sich somit eine höhere Lager-Lebensdauer.
Wälzlagerkäfige werden bei den oben genannten Aufgaben durch Reibungskräfte, Zerrkräfte und Trägheitskräfte mechanisch beansprucht. Damit die Funktionstüchtigkeit des Wälzlagerkäfigs und die Betriebszuverlässigkeit des Lagers gewährleistet werden kann, ist eine sinnvolle Werkstoffwahl und Formgebung unerlässlich und von entscheidender Bedeutung.
Zusätzlich zu den mechanischen Anforderungen kommen in medizinischen und lebensmitteltechnischen Bereichen noch zusätzliche Anforderungen an die Sterilität des Wälzlagers.
Wälzlagerkäfige können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Geeignete Käfigwerkstoffe sind Messing, Stahlbleche und Kunststoffe. Insbesondere die Kunststoffe haben sich aufgrund ihrer kostengünstigen Herstellung zum Beispiel durch Spritzgießverfahren als Käfigwerkstoff etabliert. Übersteigt die mechanische Beanspruchung auf den Lagerkäfig die Festigkeit des Kunststoffs, wird durch das Einbringen von Fasern die Käfig-Festigkeit erhöht. Diese Fasern sollten möglichst homogen und teilweise gerichtet in dem Kunststoff verteilt werden. Durch die gute mechanische Verbindung von Fasern mit dem Kunststoff entsteht eine Kombination zwischen der Faserfestigkeit und der Kunststofffestigkeit, was die Festigkeit des gesamten Käfigs erhöht. Typische Verstärkungsfasern sind Baumwollfasern, Glasfasern, Karbonfasern und Aramidfasern.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 007 495 A1 beschreibt solche festigkeitssteigernde Maßnahmen. Dabei werden Kohlenstofflangfasern bzw. Glaslangfasern zur Verstärkung des Kunststoffs mit eingearbeitet. Diese Verstärkungsfasern haben eine Länge von mindestens 1 mm. Glaslangfasern haben jedoch den Nachteil, dass diese eine große Beeinträchtigung für die Wälzkörper darstellen können. Sobald der umhüllende Kunststoff durch Verschleiß beseitigt wurde, kommen die Glasfasern in direkten Kontakt zu den Wälzkörpern. Da die Glasfasern eine größere Härte als die Wälzkörper besitzen können, insbesondere, wenn die Wälzkörper aus Stahl hergestellt sind, kann beschleunigter abrasiver Verschleiß an den Wälzkörpern auftreten. Auch können die Wälzkörper beschädigt werden, wenn diese abgebrochene Glasfasern überrollen. Beispielweise können die Glasfasern schädliche Deformationen in der Wälzkörperoberfläche hervorrufen. Außerdem können dabei die Laufbahnen des Wälzlagers beeinträchtigt werden. Dabei sind vor allem bei kleinen Wälzlagern solche Beeinträchtigungen durch eingebrachte Fasern auf die Wälzkörper und die Laufbahn ein Problem, das die Langlebigkeit des Wälzlagers negativ beeinflusst.
Gerade bei der Miniaturisierung und Leistungssteigerungen von Wälzlagern steigen die Anforderungen an Wälzlagerkäfige besonders durch die Erhöhung der Drehzahl. Zudem bestehen in der Medizintechnik sowie in den lebensmitteltechnischen Bereich hohe Anforderungen an bakteriostatische Eigenschaften. Heute übliche Faserverstärkungen in Wälzlagerkäfigen erfüllen nur unzureichend diese Anforderungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Material zu Verstärkung des Wälzlagerkäfigs anzugeben, das sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch unterscheidet, dass es eine höhere Festigkeit sowie die Möglichkeit kleinere Käfigdurchmesser zu erstellen garantiert und eine bessere Ankopplung der Verstärkungsfasern an den Käfiggrundwerkstoff gewährleistet, um die Funktionen des Lagerkäfigs zu verbessern und darüber hinaus auch eine verbesserte bakteriostatische Eigenschaft aufweist, um die Hygienestandards sicherzustellen und das Bakterienwachstum zu verhindern. Darüber hinaus soll die Beeinträchtigung der Wälzkörper bzw. der Wälzlagerlaufbahn durch Abrasion oder Deformationen bei der Überrollung bei Kontakt mit der Verstärkungsfaser minimiert werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Lagerkäfig mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind besonders vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Käfig für ein Wälzlager, insbesondere für ein Kugellager, in der Dentaltechnik bereitgestellt, der vorzugsweise einen Drehzahlkennwert n x dm >1.000.000 mm x min aufweist und aus Duroplasten wie beispielsweise Phenolharzen (PF) und/oder aus Epoxidharzen (EP) sowie geeigneten Thermoplasten wie beipielsweise Polyphenylensulfid (PPS), Polyaryletherketone (z.B. Polyetherertherketon (PEEK)), Polyamidimid (PAI) und Polyimid (PI) besteht und bevorzugt chemisch mit Spinnenseide gekoppelt wird.
Es sind sieben verschiedene Spinnenseidenfäden bekannt, von denen zwei Fadentypen besonders vorteilhaft für den erfindungsgemäßen Einsatz in Wälzlagerkäfigen sind:

- Abseilfaden wegen dessen höchster Stabilität und Reißfestigkeit
- Fangfaden wegen dessen guter Haftung und damit der sehr guten Verankerung im Kunststoffgrundmaterial.

Die Dehnung des Abseilfadens ist deutlich geringer als die des Fangfadens, womit eine Einstellung der notwendigen Dehnung der Faserverstärkung je nach Kunststoffgrundwerkstoff und der Anforderung der Anwendung möglich ist. Darüber hinaus ist auch eine Mischung aus verschiedenen Spinnenseidenfäden zur Erzielung der gewünschten Eigenschaft vorteilhaft.
Kunststoffe sind Materialien, deren wesentliche Bestandteile aus makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Umwandlung von Naturprodukten entstehen. Sie sind in der Regel bei der Verarbeitung unter bestimmten Bedingungen (z.B. Wärme, Druck, etc.) plastisch formbar oder plastisch verformt worden. Technische Kunststoffe werden in folgende vier Gruppen aufgeteilt:
Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, Thermoplastische Elastomere.
Für die Anwendung im Wälzlagerkäfig kommen vorzugsweise Thermoplaste und Duroplaste zum Einsatz.
Zu den Duroplasten gehören z.B. die Phenolharze und die Epoxidharze.
Unter einem Phenolharz versteht man Kunstharze, die durch Polykondensation aus Phenolen und Aldehyden besteht. Als Ausgangsstoffe sind hier insbesondere Phenole und Formaldehyde zu nennen.
Unter Epoxidharzen versteht man ebenfalls Kunstharze, die jedoch aus Polyether bestehen, die mit einem Härtungsmittel reagieren und so das Kunstharz bilden. Diese Kunstharze bestehen aus Epoxidgruppen.
Unter Thermoplasten versteht man im Allgemeinen Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich (thermo-plastisch) verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden, solange nicht durch Überhitzung die sogenannte thermische Zersetzung des Materials einsetzt. Darin unterscheiden sich Thermoplaste von den Duroplasten und Elastomeren. Typische Thermoplaste für Wälzlager-Käfige sind PA, PAI, PEEK und PI.
Spezielle Thermoplaste müssen sintertechnisch verarbeitetet werden. Das sind Kunststoffe z.B. Polyimid, die nicht schmelzbar und chemisch sehr beständig sind. Deren Verarbeitung erfolgt durch Sintertechniken wie „Hot compression moulding“, „Direct forming“ oder „Isostatisches Pressen“. Dabei wird beispielsweide das Kunststoffpulver in ein Formwerkzeug gegeben und unter Einhaltung einer definierten Temperatur-Druck-Zeit-Kurve zu einem Halbzeug oder Fertigprodukt verarbeitet.
Bei der gemäß der vorliegenden Erfindung künstlich hergestellten Spinnenseide wird vorteilhaft zunächst die Erbinformation der Spinnenseidengene der Spinne mithilfe der Gentechnik in synthetische Gene verändert werden. Dies ist vorteilhaft, da die natürlichen Spinnenseidengene hoch repitiv sind. Mit den angepassten Genen kann mithilfe von Bakterienstämmen ein Seidenrohmaterial hergestellt werden. Dieses Seidenrohmaterial ist eine hochkonzentrierte Proteinlösung, die beispielsweise mit einer Pumpe in einen technischen Spinnkanal eingeleitet wird. Im Spinnkanal finden bevorzugt ein lonenaustausch, sowie eine Ansäuerung der Seidenproteinlösung statt. Am Ende des Spinnkanals befindet sich in der Regel eine Spinndüse, aus der ein künstlich hergestellter Spinnfaden mechanisch herausgezogen wird.
Durch die Verwendung von künstlich hergestellter Spinnenseide kann eine wesentlich größere mechanische Festigkeit, insbesondere maximale Zugkraft beziehungsweise Bruchkraft als mit den heutigen üblichen Verstärkungsfasern wie Baumwoll-Fasern, Glasfasern, Karbon- oder Aramidfasern, erreicht werden. Die künstlich hergestellte Spinnenseide ist zudem extrem elastisch und somit reißfest.
Auch ist die Beeinträchtigung der Wälzkörper bzw. der Wälzlagerlaufbahn durch Abrasion oder Deformationen bei der Überrollung bei Kontakt mit der künstlich hergestellten Spinnenseide minimiert.
Optimale Ausführungsformen der Erfindung sehen einen Anteil der künstlichen Spinnenseide im Wälzlagerkäfig von 5 bis 20 Gew.-% vor, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wälzlagerkäfigs. Besonders bevorzugt beträgt der Anteil der künstlichen Spinnenseide im Wälzlagerkäfig jedoch mehr als 12 Gew.-%, insbesondere zwischen 12,5 und 20 Gew.-%, beispielsweise zwischen 14 und 20 Gew.-%.
Somit kann durch die erfindungsgemäße Verwendung von Spinnenseide als Verstärkungsfaser die Lebensdauer des Wälzlagerkäfigs deutlich erhöht werden.
Zusätzlich ist die künstlich hergestellte Spinnenseide bakteriostatisch, d.h. bakterienabweisend und somit können mit der Spinnenseide als Verstärkungsfaser und gleichbleibenden Sterilisationszyklen höhere hygienische Standards in der Medizintechnik, insbesondere in der Dentaltechnik erreicht werden.
Unter einer chemischen Koppelung wird gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Verknüpfung von zumindest zwei Komponenten des Käfiggrundwerkstoffes und des Faserverstärkungsstoffes verstanden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine chemische Koppelung mit Hilfe einer Schmelzmodifizierung. Dabei werden die Kunststoffkomponenten mit der künstlich hergestellten Spinnenseide in einen Mischer oder Kneter, einen Extruder wie Ein- oder Zweischneckenextruder, einen Mehrwellenkneter oder eine Spritzgießmaschine gegeben und vermischt, um diese teilweise miteinander zu koppeln. Dies wird in der Schmelze ab bei einer Temperatur von 150°C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur unter 200°C erreicht. Durch diese Schmelzmodifizierungsreaktion ist es möglich, den Kunststoff mit der künstlich hergestellten Spinnenseide zumindest teilweise chemisch zu koppeln und somit einen (makroskopisch) homogenen faserverstärkten Käfigwerkstoff zu erhalten. Dieser faserverstärkte Käfigwerkstoff kann anschließend in eine Halbzeug-Form (für eine nachgeschaltete spanende Käfigherstellung) oder in eine käfigförmige Kavität in eine Spritzgießmaschine oder eine Gussmaschine eingefüllt werden und unter Hitze in die Halbzeug- oder Käfigform gepresst werden. Anschließend wird das Halbzeug oder der fertige Käfig insbesondere mit Hilfe eines Auswerfers aus der Spritzgießmaschine oder der Gussmaschine ausgeworfen.
Auch das Extrudieren zur Herstellung von Halbzeugen kann hier verwendet werden. Dabei wird das durch Wärmezufuhr pastöse Spinnenfaser-Kunststoff-Gemisch durch formgebende Düsen gepresst und danach abgekühlt. Darüber hinaus können Verfahren zum Herstellen von duroplastischen Käfigwerkstoffen (z.B Prepreg-Herstellung mit nachfolgendem Wickeln zum Rohr und anschließendem Aushärten) hier zur Anwendung kommen.
Mit diesen Verfahren lassen sich sowohl Schnappkäfige für Rillenkugellager als auch Massivkäfige für Schrägkugellager herstellen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:

1 einen Axialschnitt durch ein Wälzlager mit kugelförmigen Wälzkörpern und einem erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfig;
2 zeigt einen Axialschnitt durch eine Dentalturbine aus dem Stand der Technik, in die ein erfindungsgemäßer Wälzlagerkäfig eingebaut werden kann.

Das in 1 dargestellte Wälzlager, hier ist ein Kugellager dargestellt, weist einen Außenring 1 und einen diesem radial innen gegenüberstehenden Innenring 2 auf. Zwischen dem Außenring 1 und dem Innenring 2 sind Wälzkörper 4, hier in Form von Kugeln, positioniert, die durch den Wälzlagerkä3 in ihrer Position relativ zueinander gehalten werden.
Der Wälzlagerkä3 besteht erfindungsgemäß aus Kunststoff mit eingelagerter künstlich hergestellter Spinnenseide, hier schematisch dargestellt durch die gekachelte Schraffur. Durch die eingelagerte künstliche Spinnenseide wird ein Verschleiß zwischen dem Wälzlagerkä3 und gegebenenfalls, bei einer Relativverdrehung zwischen dem Wälzlagerkä3 und dem Außenring 1 und/oder dem Innenring 2 und/oder den Wälzkörpern 4 reduziert.
Die 2 ist der DE 102 59 012 A1 entnommen und zeigt einen Kopfbereich einer Dentalturbine umfassend ein Gehäuse 5, in welchem die Rotorwelle 7 des Rotors 6 gelagert ist. Der Rotor 6 trägt ein entsprechendes Werkzeug 8.
Die Lagerung der Rotorwelle 7 umfasst Wälzlager 9 und 10 mit erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigen 3.
Bezugszeichenliste

1: Außenring
2: Innenring
3: Wälzlagerkäfig
4: Wälzkörper
5: Gehäuse
6: Rotor
7: Rotorwelle
8: Werkzeug
9: Wälzlager
10: Wälzlager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011007495 A1 [0007]
DE 10259012 A1 [0036]

Claims

Wälzlagerkäfig (3) für ein Wälzlager, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (3) Kunststoff als Thermoplast und/oder Duroplast mit künstlich hergestellter Spinnenseide als Faserverstärkungsstoff umfasst oder hieraus besteht.
Wälzlagerkäfig (3) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (3) eine Mischung verschiedener Spinnenseidefäden, insbesondere eine Mischung mit oder aus Abseilfäden und Fangfäden aufweist.
Wälzlagerkäfig (3) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (3) zusätzlich Aramidfasern aufweist.
Wälzlagerkäfig (3) gemäß Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an der künstlich hergestellten Spinnenseide im Wälzlagerkäfig (3) 5 bis 20 Gew.-% beträgt, bevorzugt mehr als 12 Gew.-%.
Wälzlagerkäfig (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (3) ein Schnappkäfig für ein Rillenkugellager oder ein Massivkäfig für ein Schrägkugellager ist.
Wälzlagerkäfig (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (3) im Spritzgussverfahren hergestellt ist.
Wälzlagerkäfig (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohling für die Herstellung des Wälzlagerkäfigs (3) im Extrusionsverfahren hergestellt ist.
Wälzlagerkäfig (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (3) und/oder ein Rohling für die Herstellung des Wälzlagerkäfigs (3) durch Sintertechniken wie Hot compression moulding, Direct forming oder Isostatisches Pressen hergestellt ist.
Wälzlagerkäfig (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (3) im Verfahren zum Herstellen von duroplastischen Käfigwerkstoffen hergestellt ist, insbesondere durch Prepreg-Herstellung mit nachfolgendem Wickeln zum Rohr und anschließendem Aushärten.
Wälzlager (9, 10) umfassend einen Wälzlagerkäfig (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Wälzlager (9, 10) nach Anspruch 10, wobei das Wälzlager (9, 10) ein Kugellager mit Innenring (2) und einem koaxial dazu angeordneten Außenring (1) ist, wobei zwischen Innenring (2) und Außenring (1) Wälzkörper (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) mittels dem Wälzlagerkäfigs (3) geführt sind.
Wälzlager (9, 10) nach Anspruch 11 zur Verwendung als Dentaltechniklager, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlkennwert n x Dm größer ist als 1.000.000, wobei n die Drehzahl des Außenringes (1) oder des Innenringes (2) pro Minute und Dm den mittleren Lagerdurchmesser in Millimetern beschreibt.
Verfahren zum Herstellen eines Halbzeuges zur nachgeschalteten spanenden Herstellung eines Wälzlagerkäfigs (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 oder zur direkten Herstellung oder zum Urformen eines Wälzlagerkäfigs (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder der Wälzlagerkäfig (3) durch wenigstens eines der nachfolgenden Herstellungsverfahren hergestellt wird: - Extrusion - Sintern, isostatisches Sintern oder Hot Copmression Moulding - Verfahren zum Herstellen von duroplastischen Käfigwerkstoffen - Spritzguss - Formpressen oder Schichtpressen - Prepreg-Herstellung mit nachfolgendem Wickeln zum Rohr und Aushärten - 3D-Druck.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder der Wälzlagerkäfig (3) durch gleichzeitiges Formen und Erhitzen eines Kunststoffes oder eines Vorproduktes zur Herstellung eines Kunststoffes und unter Druckbeaufschlagung hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder der Wälzlagerkäfig (3) durch Erhitzen eines Kunststoffes oder eines Vorproduktes zur Herstellung eines Kunststoffes auf eine Temperatur von mindestens 150°C, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 150° C bis 200° C hergestellt wird.